合成氨條件的選擇(用)

1、1、合成氨的化學反應(yīng)方程式、特點、合成氨的化學反應(yīng)方程式、特點2、分析合成氨的合適條件、分析合成氨的合適條件3、工業(yè)上合成氨的合適條件、工業(yè)上合成氨的合適條件4、選擇適宜化工生產(chǎn)條件的原則、選擇適宜化工生產(chǎn)條件的原則7、練習、練習目目 錄錄 6、小結(jié)、小結(jié)5、合成氨工業(yè)發(fā)展前景、合成氨工業(yè)發(fā)展前景8、哈伯和哈伯法合成氨背景資料、哈伯和哈伯法合成氨背景資料合成氨條件的選擇合成氨條件的選擇梅山高級中學梅山高級中學 韓菊仙韓菊仙資料資料諾貝爾化學獎諾貝爾化學獎1918年頒給了德國化學家年頒給了德國化學家 哈伯哈伯（F.Haber ）1931年頒給了德國化學家年頒給了德國化學家 波施波施（C.Bosc

2、h）哈伯哈伯（F.Haber）（1868-1934） 是他發(fā)明了合成氨方法，是他發(fā)明了合成氨方法，并投入了生產(chǎn)；并投入了生產(chǎn)； 是他發(fā)明了合成氨廉價的催是他發(fā)明了合成氨廉價的催化劑，使生產(chǎn)效率顯著提高，化劑，使生產(chǎn)效率顯著提高，生產(chǎn)成本明顯降低。生產(chǎn)成本明顯降低。合成氨工業(yè)的發(fā)展歷程合成氨工業(yè)的發(fā)展歷程1、用、用N2 、H2為原料合成氨的工業(yè)生產(chǎn)，曾為原料合成氨的工業(yè)生產(chǎn)，曾是是 一個很艱巨的課題。一個很艱巨的課題。1900年，法國化學家勒夏特列認為，年，法國化學家勒夏特列認為， N2 、H2可以在高壓下直接化合成氨。但在用實驗可以在高壓下直接化合成氨。但在用實驗驗證時發(fā)生了爆炸，于是他覺得有

3、危險，放驗證時發(fā)生了爆炸，于是他覺得有危險，放棄了研究。棄了研究。稍后，德國化學家能斯特，通過計算認為稍后，德國化學家能斯特，通過計算認為合成氨不能實現(xiàn)。使合成氨又慘遭厄運。合成氨不能實現(xiàn)。使合成氨又慘遭厄運。德國化學家哈伯知難而進，德國化學家哈伯知難而進，1908年年7月在實月在實驗室驗室用用N2 、H2 在在600、200個大氣壓，合成出個大氣壓，合成出氨氨, 產(chǎn)率為產(chǎn)率為2。19111913年短短兩年內(nèi)年短短兩年內(nèi)產(chǎn)率不僅提高了，而且合成出了產(chǎn)率不僅提高了，而且合成出了1000噸液噸液氨。氨。 1918年獲得了諾貝爾化學獎。年獲得了諾貝爾化學獎。 以后，合成氨技術(shù)又有了很多改進，以后，合

4、成氨技術(shù)又有了很多改進，使合成氨產(chǎn)量不斷提高。使合成氨產(chǎn)量不斷提高。 我國我國有合成氨生產(chǎn)企業(yè)有合成氨生產(chǎn)企業(yè)570多家，其中多家，其中2004年產(chǎn)量達年產(chǎn)量達30萬噸以上的有萬噸以上的有30家，超過家，超過50萬噸的已有萬噸的已有4家。預(yù)計今年全國合成氨產(chǎn)量家。預(yù)計今年全國合成氨產(chǎn)量有可能超過有可能超過46004600萬噸，比上年增產(chǎn)約萬噸，比上年增產(chǎn)約380380萬萬噸。產(chǎn)量位居世界第一。噸。產(chǎn)量位居世界第一。 我國我國合成氨生產(chǎn)情況怎樣？合成氨生產(chǎn)情況怎樣？ 假如你自己就是一個合成氨工廠的廠假如你自己就是一個合成氨工廠的廠長，你最關(guān)心的是什么？對整個生產(chǎn)過程長，你最關(guān)心的是什么？對整個生

5、產(chǎn)過程會有怎樣的要求？（常溫常壓下，合成氨會有怎樣的要求？（常溫常壓下，合成氨的反應(yīng)進行得非常慢，幾乎不能覺察的反應(yīng)進行得非常慢，幾乎不能覺察P57)P57)提高單位工作時間內(nèi)產(chǎn)品的產(chǎn)量以及原提高單位工作時間內(nèi)產(chǎn)品的產(chǎn)量以及原料的利用率，提高合成氨的生產(chǎn)效益。料的利用率，提高合成氨的生產(chǎn)效益。問題問題1 請同學們寫出合成氨的化學反應(yīng)方請同學們寫出合成氨的化學反應(yīng)方程式，并分析這個反應(yīng)有什么特點？程式，并分析這個反應(yīng)有什么特點？特點：特點：a、可逆反應(yīng)、可逆反應(yīng)b、正反應(yīng)為放熱反應(yīng)、正反應(yīng)為放熱反應(yīng)c、正反應(yīng)是氣體體積縮小的反應(yīng)。、正反應(yīng)是氣體體積縮小的反應(yīng)。N2+3H2 2NH3(正反應(yīng)為放熱

6、反應(yīng)正反應(yīng)為放熱反應(yīng))問題問題2 要提高合成氨的生產(chǎn)效益，具體應(yīng)從哪要提高合成氨的生產(chǎn)效益，具體應(yīng)從哪 些方面來考慮？些方面來考慮？要使氨生成得更快（即提高單要使氨生成得更快（即提高單位時間里氨的產(chǎn)量）位時間里氨的產(chǎn)量） 化學反應(yīng)速率問題化學反應(yīng)速率問題要使氨生成得更多（即提高平衡要使氨生成得更多（即提高平衡混合物里氨的含量）混合物里氨的含量） 化學平衡問題化學平衡問題提高合成氨的生產(chǎn)效益提高合成氨的生產(chǎn)效益討論討論 針對反應(yīng)特點，根據(jù)外界條件對化學反應(yīng)速率的影響，說針對反應(yīng)特點，根據(jù)外界條件對化學反應(yīng)速率的影響，說明要使合成氨的化學反應(yīng)速率增大，應(yīng)采取哪些措施？應(yīng)用化學明要使合成氨的化學反應(yīng)

7、速率增大，應(yīng)采取哪些措施？應(yīng)用化學平衡移動原理，說明要提高平衡混合物中氨氣的含量，應(yīng)采取哪平衡移動原理，說明要提高平衡混合物中氨氣的含量，應(yīng)采取哪些措施？些措施？合成氨反應(yīng)合成氨反應(yīng)N N2 2+3H+3H2 2 2NH 2NH3 3（正反應(yīng)為放熱反應(yīng)）（正反應(yīng)為放熱反應(yīng)）使使NH3生成得快生成得快（從反應(yīng)速率分析）（從反應(yīng)速率分析）使使NH3生成得多生成得多（從化學平衡分析）（從化學平衡分析）壓強壓強溫度溫度催化劑催化劑濃度濃度目的目的選擇選擇條件條件高壓高壓高溫高溫使用催化劑使用催化劑增大反應(yīng)物濃度增大反應(yīng)物濃度高壓高壓低溫低溫無影響無影響增大反應(yīng)物濃度增大反應(yīng)物濃度 減小生成物濃度減小生

8、成物濃度請同學們對比下表的實驗數(shù)據(jù)，檢查自己的理論請同學們對比下表的實驗數(shù)據(jù)，檢查自己的理論推斷是否正確。推斷是否正確。分別從化學反應(yīng)速率和化學平衡兩個角度分析合分別從化學反應(yīng)速率和化學平衡兩個角度分析合成氨的合適條件成氨的合適條件。 結(jié)結(jié) 論論從反應(yīng)速率的角度看：從反應(yīng)速率的角度看：溫度越高、溫度越高、壓強越大，化學反應(yīng)越快，壓強越大，化學反應(yīng)越快， 使用使用合適的催化劑，反應(yīng)加快，單位合適的催化劑，反應(yīng)加快，單位時間內(nèi)生成的時間內(nèi)生成的NH3越多；越多；從化學平衡的角度看：從化學平衡的角度看：高壓、低高壓、低溫，平衡時生成物溫，平衡時生成物NH3的含量的含量（體積分數(shù)）高。（體積分數(shù)）高。

9、討論討論1、既然增大壓強可提高反應(yīng)速率，又可提高氨、既然增大壓強可提高反應(yīng)速率，又可提高氨的含量，那么在合成氨工業(yè)中壓強是否越大越的含量，那么在合成氨工業(yè)中壓強是否越大越好？好？2、既然降低溫度有利于平衡向生成氨的方向移、既然降低溫度有利于平衡向生成氨的方向移動，那么在合成氨工業(yè)中溫度是否越低越好？動，那么在合成氨工業(yè)中溫度是否越低越好？3、催化劑對化學平衡沒有影響，在合成氨工業(yè)、催化劑對化學平衡沒有影響，在合成氨工業(yè)中是否需要使用催化劑？中是否需要使用催化劑？一、合成氨的適宜條件一、合成氨的適宜條件提示提示 綜合考慮化學反應(yīng)速率和化學平衡移動的綜合考慮化學反應(yīng)速率和化學平衡移動的原理，再根據(jù)

10、工業(yè)生產(chǎn)特點和實際需要，選擇合原理，再根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)特點和實際需要，選擇合成氨的適宜條件。成氨的適宜條件。討論討論從表從表2-3數(shù)據(jù)表明，即使在數(shù)據(jù)表明，即使在500C和和30MPa的條的條件下，平衡混和物中氨的含量僅達件下，平衡混和物中氨的含量僅達26.4%，即，即轉(zhuǎn)化率仍不夠大，為了使平衡向生成氨的方向轉(zhuǎn)化率仍不夠大，為了使平衡向生成氨的方向移動，提高移動，提高N2、H2的轉(zhuǎn)化率的轉(zhuǎn)化率,還可以采取哪些措還可以采取哪些措施？施？使用催化劑：使用催化劑：可以大大加快化學反應(yīng)速可以大大加快化學反應(yīng)速率，提高生產(chǎn)效率，也提高了經(jīng)濟效益率，提高生產(chǎn)效率，也提高了經(jīng)濟效益合成氨的適宜條件合成氨的適宜條

11、件選擇合適的溫度：選擇合適的溫度：500左右，提高反應(yīng)左右，提高反應(yīng)速率，又是合成氨催化劑的活性溫度；速率，又是合成氨催化劑的活性溫度；選擇合適的壓強：選擇合適的壓強：20MPa50MPa，有利，有利于氨的合成，該壓強下進行生產(chǎn)，對動于氨的合成，該壓強下進行生產(chǎn)，對動力、材料、設(shè)備等來說正合適。力、材料、設(shè)備等來說正合適。濃度：濃度：將氨氣液化后及時分離出來，所將氨氣液化后及時分離出來，所得原料氣（過量得原料氣（過量N2、H2）循環(huán)使用，并）循環(huán)使用，并及時補充及時補充N2、H2合成氨的化學反應(yīng)原理合成氨的化學反應(yīng)原理 N2+3H2 2NH3鐵觸媒鐵觸媒 500C20MPa-50MPa合成氨工

12、業(yè)的主要流程：合成氨工業(yè)的主要流程：合成氨生產(chǎn)示意圖合成氨生產(chǎn)示意圖氫氮混和氣水冷器循環(huán)壓縮機合成氨簡要流程示意圖液氨合成塔合成塔氨分離器氨分離器討論討論 工業(yè)上選擇適宜化工生產(chǎn)條件要堅持工業(yè)上選擇適宜化工生產(chǎn)條件要堅持 什么原則？什么原則？選擇適宜生產(chǎn)條件原則選擇適宜生產(chǎn)條件原則1、注意外界條件對化學反應(yīng)速率和化、注意外界條件對化學反應(yīng)速率和化學平衡影響的一致性，還要注意對化學平衡影響的一致性，還要注意對化學反應(yīng)速率和化學平衡影響的矛盾性；學反應(yīng)速率和化學平衡影響的矛盾性；2、既要注意溫度、催化劑對速率影響、既要注意溫度、催化劑對速率影響的一致性，又要注意催化劑的活性對的一致性，又要注意催化

13、劑的活性對溫度的限制；溫度的限制；3、既要注意理論上的需要，又要注意、既要注意理論上的需要，又要注意實踐中的可能性實踐中的可能性小結(jié)小結(jié)合成氨的適宜條件合成氨的適宜條件壓強：壓強：20MPa-50MPa溫度：溫度：500C左右左右催化劑：鐵觸媒催化劑：鐵觸媒濃度：將氨氣液化后及時分離出濃度：將氨氣液化后及時分離出來，所得原料氣（過量來，所得原料氣（過量N2、H2）循環(huán)使用，并及時補充循環(huán)使用，并及時補充N2、H2N2+3H2 2NH3鐵觸媒鐵觸媒 500C 20MPa-50MPa合成氨的反應(yīng)原理：合成氨的反應(yīng)原理：【練習】【練習】 硫酸工業(yè)中有一步反應(yīng)為：硫酸工業(yè)中有一步反應(yīng)為：2SO2SO2

14、 2(g)+O(g)+O2 2(g) 2SO(g) 2SO3 3(g)(g)( (正反應(yīng)為放熱反應(yīng)正反應(yīng)為放熱反應(yīng)) )；合成氨反應(yīng)為：合成氨反應(yīng)為： ( (正反應(yīng)為正反應(yīng)為放熱反應(yīng)放熱反應(yīng)) )。兩個反應(yīng)的條件是否相同？從化學平衡角度分析兩個反應(yīng)的條件是否相同？從化學平衡角度分析兩個反應(yīng)特點是否相同？試分析其中原因。兩個反應(yīng)特點是否相同？試分析其中原因。 5005000 0C C V V2 2O O5 5N N2 2+3H+3H2 2 2NH2NH3 3 Fe Fe、5005000 0C C20MPa20MPa50MPa50MPa（已知常壓下平衡時（已知常壓下平衡時SO3的體積分數(shù)為的體積分

15、數(shù)為91） 鞏固練習鞏固練習1.對于合成氨的反應(yīng)來說對于合成氨的反應(yīng)來說,使用催化劑和施加高壓使用催化劑和施加高壓,下列敘述中正確的是下列敘述中正確的是( )A.都能提高反應(yīng)速率都能提高反應(yīng)速率,都對化學平衡狀態(tài)無影響都對化學平衡狀態(tài)無影響B(tài).都對化學平衡狀態(tài)有影響都對化學平衡狀態(tài)有影響,都不影響達到平衡都不影響達到平衡狀態(tài)所用的時間狀態(tài)所用的時間C.都能縮短達到平衡狀態(tài)的時間都能縮短達到平衡狀態(tài)的時間,只有壓強對化只有壓強對化學平衡狀態(tài)有影響學平衡狀態(tài)有影響D催化劑能縮短反應(yīng)達到平衡狀態(tài)所用的時間催化劑能縮短反應(yīng)達到平衡狀態(tài)所用的時間,而壓強無此作用而壓強無此作用C2、在一密閉容器中，、在一

16、密閉容器中，N2、H2合成氨的反應(yīng)已達到合成氨的反應(yīng)已達到平衡。此時再往容器中通入一定量平衡。此時再往容器中通入一定量N2,保持溫度和保持溫度和容器體積不變，當反應(yīng)再次達到平衡時，與第一容器體積不變，當反應(yīng)再次達到平衡時，與第一次平衡狀態(tài)相比（）次平衡狀態(tài)相比（）（）（）的百分含量增大的百分含量增大（）（）的濃度增大的濃度增大（）（）的轉(zhuǎn)化率提高的轉(zhuǎn)化率提高（）（）的轉(zhuǎn)化率提高的轉(zhuǎn)化率提高3、在合成氨工業(yè)中，為增加、在合成氨工業(yè)中，為增加NH3的日產(chǎn)量，下列的日產(chǎn)量，下列變化過程不能使平衡向右移動的是：（變化過程不能使平衡向右移動的是：（ ）(A)不斷將不斷將NH3分離出來分離出來 (B)使用

17、催化劑使用催化劑(C)采用采用500 左右的高溫左右的高溫(D)采用采用20 0 MPa- 50MPa的壓強的壓強B C4、在合成氨時，可以提高、在合成氨時，可以提高H2轉(zhuǎn)化率的措施是（轉(zhuǎn)化率的措施是（ ）(A)延長反應(yīng)時間延長反應(yīng)時間 (B)充入過量充入過量H2(C)充入過量充入過量N2 (D)升高溫度升高溫度C5、關(guān)于氨的合成工業(yè)的下列說法正確的是、關(guān)于氨的合成工業(yè)的下列說法正確的是 （ ）(A)(A)從合成塔出來的氣體，其中氨一般占從合成塔出來的氣體，其中氨一般占15%15%，所以生，所以生產(chǎn)氨的工業(yè)的效率都很低產(chǎn)氨的工業(yè)的效率都很低(B)(B)由于由于NHNH3 3易液化，易液化，N

18、N2 2、H H2 2可循環(huán)使用，則總的說來可循環(huán)使用，則總的說來氨的產(chǎn)率很高氨的產(chǎn)率很高(C)(C)合成氨工業(yè)的反應(yīng)溫度控制在合成氨工業(yè)的反應(yīng)溫度控制在500 500 左右，目的左右，目的是使平衡向正反應(yīng)方向進行是使平衡向正反應(yīng)方向進行(D)(D)合成氨工業(yè)采用合成氨工業(yè)采用2020 MPa - - 50MPa 50MPa ，是因該條件，是因該條件下催化劑的活性最好下催化劑的活性最好B6、在一定條件下，將、在一定條件下，將N N2 2和和H H2 2的混和氣體通入固定容積的的混和氣體通入固定容積的密閉容器中進行合成氨反應(yīng)：密閉容器中進行合成氨反應(yīng)：N N2 2+3H+3H2 2 2NH2NH

19、3 3 ( (正正反應(yīng)為放熱反應(yīng)反應(yīng)為放熱反應(yīng)) )下列圖像表示正確的是：下列圖像表示正確的是： （ ）A C (A) (B) (C) (D)背景資料背景資料哈伯和哈伯法合成氨哈伯和哈伯法合成氨 19 19世紀以前，一些有遠見的化學家指出：考慮世紀以前，一些有遠見的化學家指出：考慮到將來的糧食問題，為了使子孫后代免于饑餓，我到將來的糧食問題，為了使子孫后代免于饑餓，我們必須寄希望于科學家能實現(xiàn)大氣固氮。因此將空們必須寄希望于科學家能實現(xiàn)大氣固氮。因此將空氣中豐富的氮固定下來并轉(zhuǎn)化為可被利用的形式，氣中豐富的氮固定下來并轉(zhuǎn)化為可被利用的形式，在在2020世紀初成為一項受到眾多科學家注目和關(guān)切的世

20、紀初成為一項受到眾多科學家注目和關(guān)切的重大課題。哈伯就是從事合成氨的工藝條件試驗和重大課題。哈伯就是從事合成氨的工藝條件試驗和理論研究的化學家之一。理論研究的化學家之一。利用氮、氫為原料合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)曾是一個較難的利用氮、氫為原料合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)曾是一個較難的課題，從第一次實驗室研制到工業(yè)化投產(chǎn)，約經(jīng)歷了課題，從第一次實驗室研制到工業(yè)化投產(chǎn)，約經(jīng)歷了150150年的年的時間。時間。17951795年有人試圖在常壓下進行氨合成，后來又有人在年有人試圖在常壓下進行氨合成，后來又有人在5050個大氣壓下試驗，結(jié)果都失敗了。個大氣壓下試驗，結(jié)果都失敗了。1919世紀下半葉，物理化世紀下半葉，物理

21、化學的巨大進展，使人們認識到由氮、氫合成氨的反應(yīng)是可逆學的巨大進展，使人們認識到由氮、氫合成氨的反應(yīng)是可逆的，增加壓力將使反應(yīng)推向生成氨的方向：提高溫度會將反的，增加壓力將使反應(yīng)推向生成氨的方向：提高溫度會將反應(yīng)移向相反的方向，然而溫度過低又使反應(yīng)速度過??；催化應(yīng)移向相反的方向，然而溫度過低又使反應(yīng)速度過??；催化劑對反應(yīng)將產(chǎn)生重要影響。這實際上就為合成氨的試驗提供劑對反應(yīng)將產(chǎn)生重要影響。這實際上就為合成氨的試驗提供了理論指導(dǎo)。當時物理化學的權(quán)威、德國的了理論指導(dǎo)。當時物理化學的權(quán)威、德國的能斯特能斯特就明確指就明確指出：氮和氫在高壓條件下是能夠合成氨的，并提供了一些實出：氮和氫在高壓條件下是能

22、夠合成氨的，并提供了一些實驗數(shù)據(jù)。法國化學家驗數(shù)據(jù)。法國化學家勒夏特里勒夏特里第一個試圖進行高壓合成氨的第一個試圖進行高壓合成氨的實驗，但是由于氮氫混和氣中混進了氧氣，引起了爆炸，使實驗，但是由于氮氫混和氣中混進了氧氣，引起了爆炸，使他放棄了這一危險的實驗。在物理化學研究領(lǐng)域有很好基礎(chǔ)他放棄了這一危險的實驗。在物理化學研究領(lǐng)域有很好基礎(chǔ)的的哈伯哈伯決心攻克這一令人生畏的難題。決心攻克這一令人生畏的難題。哈伯首先進行一系列實驗，探索合成氨的最佳哈伯首先進行一系列實驗，探索合成氨的最佳物理化學條件。在實驗中他所取得的某些數(shù)據(jù)與能物理化學條件。在實驗中他所取得的某些數(shù)據(jù)與能斯特的有所不同，他并不盲從

23、權(quán)威，而是依靠實驗斯特的有所不同，他并不盲從權(quán)威，而是依靠實驗來檢驗，終于證實了能斯特的計算是錯誤的。在一來檢驗，終于證實了能斯特的計算是錯誤的。在一位來自英國的學生位來自英國的學生洛森諾洛森諾的協(xié)助下，哈伯成功地設(shè)的協(xié)助下，哈伯成功地設(shè)計出一套適合于高壓實驗的裝置和合成氨的工藝流計出一套適合于高壓實驗的裝置和合成氨的工藝流程，這流程是：程，這流程是：在熾熱的焦炭上方吹入水蒸汽，可在熾熱的焦炭上方吹入水蒸汽，可以獲得幾乎等體積的一氧化碳和氫氣的混和氣體。以獲得幾乎等體積的一氧化碳和氫氣的混和氣體。其中的一氧化碳在催化劑的作用下，進一步與水蒸其中的一氧化碳在催化劑的作用下，進一步與水蒸汽反應(yīng)，得

24、到二氧化碳和氫氣。然后將混和氣體在汽反應(yīng)，得到二氧化碳和氫氣。然后將混和氣體在一定壓力下溶于水，二氧化碳被吸收，就制得了較一定壓力下溶于水，二氧化碳被吸收，就制得了較純凈的氫氣。同樣將水蒸汽與適量的空氣混和通過純凈的氫氣。同樣將水蒸汽與適量的空氣混和通過紅熱的炭，空氣中的氧和碳便生成一氧化碳和二氧紅熱的炭，空氣中的氧和碳便生成一氧化碳和二氧化碳而被吸收除掉，從而得到了所需要的氮氣?；级晃粘?，從而得到了所需要的氮氣。氮氣和氫氣的混和氣體在高溫高壓的條件下及氮氣和氫氣的混和氣體在高溫高壓的條件下及催化劑的作用下合成氨。但什么樣的高溫和高壓條催化劑的作用下合成氨。但什么樣的高溫和高壓條件為最佳？以什么樣的催化劑為最好？這還必須花件為最佳？以什么樣的催化劑為最好？這還必須花大力氣進行探索。以楔而不舍的精神，經(jīng)過不斷的大力氣進行探索。以楔而不舍的精神，經(jīng)過不斷的實驗和計算，實驗和計算，哈伯終于在哈伯終于在19091909年年取得了鼓舞人心的取得了鼓舞人心的成果。這就是在成果。這就是在600600的高溫、的高溫、200200個大氣壓和鋨為個大氣壓和鋨為催化劑的條件下，能得到產(chǎn)率約為催化劑的條件下，能得到產(chǎn)率約為8 8的合成氨的合成氨。8 8的轉(zhuǎn)化率不算高